基于RAM分析的常減壓裝置設備管理策略優化

許述劍，劉小輝,銀奇英，邱志剛，劉兵強，徐洪坦，屈定榮

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266100

某常減壓蒸餾裝置設計加工能力為500×104t/a，年均操作時間為8 400 h；事故狀況最小進料量時加工能力為320×104t/a，裝置負荷為64%。該裝置主要由電脫鹽系統、初餾系統、常壓系統、減壓系統、瓦斯回收系統等組成，主要產品有直餾汽油(重整料)、溶劑油、分子篩、柴油，另外還為催化裂化、焦化、重整、加氫、不同牌號的潤滑油原料、丙烷脫瀝青等裝置提供原料。裝置自1990年投產以來，進行了多次大的技術改造，涉及擴能、防腐、安全隱患治理、節能、標準化整改等方面。由于長期加工劣質原油，同時運行環境苛刻化及高負荷超期服役造成設備腐蝕、設備故障、設備事故及裝置非計劃停工頻繁發生，影響著裝置的長周期安全運行[1,2]。為此，應用先進的基于可靠性模型的RAM(Reliability可靠性、Maintainability可維護性、Availability可用性，簡稱RAM)分析技術，開展該裝置系統可靠性分析與維護策略優化，提出最佳的設備運行維護方案，從而消除設備隱患，避免設備事故發生，降低裝置非計劃停工次數和設備運行維護費用，促進裝置安全長周期運行。

1 常減壓裝置系統RAM分析

1.1 故障數據庫建立與單體設備可靠性評價

1.1.1收集檢維修歷史數據，建立設備故障數據庫

根據該常減壓裝置操作歷史、故障模式和檢維修情況，確定了可能影響裝置可靠性的靜設備161個、動設備52個。收集相關設備操作及檢維修歷史數據(包括10年日常維護數據及大修數據)，建立設備故障數據庫，主要包括：設備維修時間、故障模式、故障原因、維修類型、維修內容等。

1.1.2回歸故障數據，評價單體設備可靠性

基于可靠性及可維護性模型，對設備故障數據進行回歸分析，計算出各設備的平均失效時間、平均維修時間、3年末(運行周期內)可靠性、3年內(運行周期內)故障概率等，如表1所示。

表1 設備故障間隔與可靠性(示例)

1.2 可靠性邏輯關系模型建立與系統可靠性模擬分析

1.2.1建立裝置系統可靠性邏輯關系模型

在確定了設備可靠性及可維護性模型的基礎上，依據可靠性理論的串聯連接、并聯連接、混合連接等邏輯關系，建立常減壓裝置主要單元及系統可靠性模型(RBD框圖)，如圖1所示。根據可靠性框圖得到各組成部分的可靠性與系統可靠性之間的關系[3,4]，即可靠性數學模型，計算出系統的可靠性指標，例如可靠度、平均無故障時間、故障率等。

1.2.2進行裝置系統可靠性模擬分析

收集裝置計劃內停工天數、計劃內停工造成的經濟損失、降負荷生產利潤減少、減壓單元停工損失、裝置大檢修成本等相關經濟數據。根據裝置實際情況，制定系統可用性、系統加工能力、100%負荷、70%負荷、64%負荷、0%負荷的時間比例、計劃外停工時長、計劃內停工時長、計劃內停工經濟損失、總停工時長、總經濟損失等關鍵績效指標KPI，作為衡量不同檢修、改造方案的重要指標。在確定了單體設備可靠性、系統可靠性模型(RBD框圖)和相關經濟數據的基礎上，應用RAM-int分析軟件，開展裝置系統可靠性模擬分析，評價系統整體可靠性、可用性、經濟損失、影響系統壽命及經濟效益的關鍵設備。得到以下結論：

a)表2為某常減壓裝置設備KPI指標分析。如表2所示，以計劃外停工和計劃內停工所造成的產品效益損失作為主要評價指標，結果顯示計劃內停工的經濟損失占總損失的主體部分。提高系統效益的關鍵為降低計劃內停工損失。而且，日常巡檢和在線監控等措施可以進一步提高系統可用性，避免計劃外停工。年總經濟損失可降至2 103.8萬元，均為計劃內停工損失。

圖1 某常減壓裝置系統可靠性模型

表2 某常減壓裝置設備管理KPI指標分析

b)表3為設備故障導致的停機時長排序。如表3所示，結合實際情況，常壓裝置的塔器(C-1,2,3)和加熱爐(F-1/1)是影響裝置系統整體可用性的關鍵設備，合計影響達64.34%以上。減壓塔及減壓爐合計占29.54%。通過本安設計、一用一備等措施，動設備整體的可用性比較高。

c)表4列出設備故障導致的經濟損失排序及占裝置總經濟損失的比例，以常壓塔為例，若嚴重故障將導致維修時間過長，從而每年造成損失31.5萬元。大檢修期間對此類關鍵設備要進行重點關注或檢測，進行預防性修復及更換等，可使年平均損失降低31.5萬元。

表3 設備故障導致的停機時長排序

表4 設備故障導致的經濟損失排序

d)常壓塔C-2、初餾塔C-1、大常壓爐F-1/1、常壓汽提塔C-3是可能導致裝置0%負荷運行(即裝置停工)的主要設備，合計影響高達97%；可能導致裝置70%負荷運行的主要設備室小常壓爐F-1/2。此外，常壓測線(常一、二、四線)系統與污水排放系統發生故障同樣引起降低負荷。但二者發生故障可能性幾乎為0。

2 常減壓裝置設備管理策略優化

綜合上述分析結果，進行設備維護管理策略和備件庫存方案優化，提出最佳的方案。

2.1 維修管理策略分析與優化

2.1.1維護策略分析

目前裝置維修策略包括緊急維修(修復性維修)、日常定期檢測維護(視情況維修)、實時監測(視情況維修)、大檢修(預防性維修)，其中日常人工巡檢的頻次、裝置大檢修周期按相關規定執行。修復性維修用于解決和排除已經發生的故障、恢復設備運行，其效率直接決定了故障停車的時間長短和設備可靠性的恢復程度。通過設計、大檢修時的材質升級、防腐改造、安全隱患治理、標準化整改等措施，可以提高設備的(固有)可靠性和使用壽命，從而降低設備運行期間發生故障的可能性，減少由于故障導致的計劃外維修時間和維修次數，以及相應的計劃外停車損失。大檢修的質量對設備可靠性有重要影響。日常檢查維護和在線狀態監測可提前發現或及時發現故障，對修復設備可靠性、減少維修時間、避免嚴重故障導致的停車有幫助。因此維修策略分析將從提高可靠性和維修效率兩方面著手。

常減壓裝置中，主要通過大檢修、日常巡檢和在線狀態監測等檢維修措施來影響設備的可靠性，因此這些維修活動的質量高低會改變設備的使用壽命和平均故障時間。檢維修活動中的故障診斷水平、故障排除能力、維修資源等方面都將影響維修效率，而維修效率的變化會改變設備的平均維修時間和對應的設備停工時間。對比分析可知，確保大檢修及日常檢維護質量和維修效率是提高裝置可靠性和可用性的關鍵，對減少計劃外停工時間和相應的計劃外停工損失、提高裝置的經濟效益有重要影響。

2.1.2設備維護建議

a)以塔器為代表的靜設備。主要考慮腐蝕影響，腐蝕失效的故障模式與原料油成分、負荷大小、工藝操作條件、設備結構完整有密切關系，建議結合RBI分析，針對裝置靜設備潛在的失效機理和失效風險指導設備的檢修、維修工作，合理分配檢維修資源，對高風險部位進行重點關注。目前采取的在線測厚措施，在線腐蝕監測點的布置可結合不同設備可靠性狀況、通過檢維修發現的問題、以及RBI分析，進行合理和有效設置，以及時發現腐蝕減薄現象，高效利用檢測投入。

此外，日常操作、檢測、維護、及大檢修期間均應保質保量安排檢維修工作。由于靜設備無備用設備及對系統影響重大，必須保證每次的大檢修質量，才可避免日常運行期間停工維修并造成經濟損失的不良影響。對安全風險高的設備應予以特別關注。在運行過程中，關注原油劣化對設備壽命和可靠性的影響，采取相關應對措施，例如加注緩蝕劑等。

b)加熱爐。加熱爐是影響系統可用性的主要原因之一。若大常壓加熱爐(F-1/1)無法正常工作，會造成裝置停工；若小常壓加熱爐(F-1/2)出現故障，會造成裝置加工量減少30%；若減壓爐F-2故障停爐，會造成減壓裝置停工。現有維修記錄顯示，加熱爐未發生過重大故障。加熱爐主要的故障模式為腐蝕泄漏。建議：①日常操作期間：加強對加熱爐的監測及維護，日常人工巡檢包括：外壁溫度、爐管溫度、火焰情況觀察等；②大檢修期間：保證加熱爐檢修質量，大檢修時，對爐管進行測厚檢查，并進行常規的檢查和維護項目，例如：燃燒器更新、空氣預熱器清理及檢修更換、吹灰器檢查、爐內耐火襯里檢查更新、火嘴及火煊檢查更換，以及煙道、通引風機檢修、儀表控制系統檢查等；③改造(如可行)：從提高系統產能和可用性的角度，最好的措施是提高小常壓加熱爐F-1/2的負載能力(目前為30%負荷)，例如提高到可承擔64%負荷(對應于裝置最小加工量)，以減少裝置整體對大常壓加熱爐F-1/1的依賴性。投資回收期約為2.04年。

c)泵類。由于泵組一用一備，且定期進行預防性檢修、主泵和備用泵6個月切換一次，除日常人工巡檢以外，還利用在線監測系統對泵類設備的泵體振動、軸溫度、密封泄漏進行監測，使得泵類子系統較為可靠，基本不存在主泵、備泵同時故障并對生產造成損失的情形。說明目前對泵的維修方式、操作方式等頗有成效。建議繼續保持。

需要注意的是：雖然不同泵的故障模式和壽命分布相似，但發生故障所導致的后果可能不同。一旦發送安全事故，即使有備用泵，也無濟于事，會造成整個裝置停工。例如高溫油泵一旦發送泄漏失效，存在引發安全事故的可能性、影響裝置運行。所以要考慮安全風險對可用性的影響，關注這類設備的災害防護等級。建議：在線監測的參數設定應考慮不同設備的差異(結構、類型、大小等)，以免出現不必要的維修報警，占用維修資源。

d)三頂瓦斯壓縮機PK-1。如果PK-1出現故障，則瓦斯作為常壓爐燃料燒掉或外排低瓦管網中，不會造成裝置停工，但會影響裝置能量回收。PK-1的故障率較高，氣閥、軸瓦、活塞環、脫瓦、主氣封等過流部位的易損件都是故障來源，難以提出有效預防性措施。建議：①日常操作期間：繼續加強對工藝參數、振動、溫度等故障的監測，密切注意其潛在的故障跡象等；②大檢修期間：高質量完成檢修工作，保證配件、維修、安裝質量。對易發故障部位進行預防性更換。

2.2 備件庫存方案優化

選取最佳庫存方案時需對停工損失、折舊成本等綜合考慮。此次以降低總成本(折舊成本與生產損失成本之和)為最佳目標，同時綜合考慮折舊成本、停工時間、停工損失、備件購置頻率及方案的合理性等因素來確定最佳方案。其中，生產損失成本取決于備件所安裝的設備對于裝置正常生產的重要性。同類型備件分析考慮安裝在不同設備的綜合表現進行整體評價與優化。對于安裝兩個配件(密封或軸承)的泵類設備，分別考慮了：一個配件發生失效，安裝在泵上的兩個配件需同時更換(情況1)；一個配件發生失效，只更換失效的那個配件(情況2)。該裝置備件優化舉例如表5所示。

3 結論

系統可靠性分析結果顯示，靜設備和動設備有不同種類的失效風險。靜設備主要是常減壓塔器和加熱爐，對靜設備的腐蝕機理引起的風險要在大檢修中全面防范，常壓加熱爐1/2的負荷偏小，可以擴容到64%，投資回收期在2-3年，每年節省近50萬的成本；動設備主要是泵，其風險可以通過在線監測來降低，對于泵的27個關鍵配件備件的購買和存儲進行了優化，推薦了最經濟的方案和最安全的方案。由于計劃內停工所造成的損失占主導地位，在維修管理方面，需切實保證維修及大檢修的質量，進行合理、規范的日常檢維修操作。

在目前企業操作維護人員減少、設備大型化、加工原油劣化的情況下，開展基于經濟成本分析的系統可靠性分析和維護管理策略優化，降低風險、節省成本，管控設備故障，提高設備管理水平，實現全廠設備風險降低、設備利用最優，避免設備事故發生，促進煉油裝置安全長周期運行，具有重大的現實意義。

表5 備件優化結果匯總

注：以上備件優化結果為最終庫存數目(已經減掉安裝在備用泵上的配件數目)。